《数据中心设计规范》(GB 50174-2017)中规定,数据中心主机房可设置自动喷水灭火系统。主机房一般被当做准工作状态时严禁误喷造成水渍损失的场所,所以当采用自动喷水灭火系统时一般采用预作用系统。预作用系统降低了防护区水渍损失的风险,但是也带来了火灾发生时配水管道是否能及时充水并满足灭火要求的新问题^[1]。

我国应用的预作用系统大部分是单连锁系统^[2],即仅由火灾自动报警系统联动开启预作用装置。《自动喷水灭火系统设计规范》(GB 50084-2017)中规定,单连锁系统的配水管道充水时间不宜大于2 min。智会强等^[2]研究了41个火灾场景的A类和B类火灾后发现,不同火源场景的预作用系统可用充水时间不同。可用充水时间是指从火灾自动报警系统动作至洒水喷头启动的这段时间。

随着全球超大型IT数据中心的出现,为了应对云计算、虚拟化、集中化、高密化等服务器的变化,多种形式模块化数据中心应运而生^[3],其主机房内设置微模块单元,火灾类型为A类火灾,主要是电线电缆火灾,具有烟气量大的特点,预作用系统的可用充水时间更小^[4]。因此本文采用FDS数值模拟软件,对某微模块数据机房的预作用系统的可用充水时间进行了模拟计算,以期寻找规律,对该场所预作用系统设计提出一些建设性意见,从而从设计角度提升该系统的可靠性。

本项目位于上海,该数据中心单个主机房面积为1 049.32 m²,房间高度为4.5 m,内有R18微模块单元11个、R12微模块单元9个。微模块单元由精密空调、电池单元、整流单元、配电单元、管控单元等组成,设置地板层及冷池天窗,且天窗封闭,详细尺寸及布局详见图1、图2。R12微模块单元含机柜数量为12个,R18微模块单元含机柜数量为18个,高度为2.5 m。架空地板高度为0.3 m。精密空调风量为5 493 m³/h。在微模块冷池内天窗下方设干式下垂型喷头,喷头间距为2.9～3.3 m,溅水盘距离天窗为50 mm。在微模块冷池内天窗下方设感烟探测器,在R12微模块单元内安装间距为3.7 m,在R18微模块单元内安装间距为4.8 m。在机房顶板下也置了洒水喷头及感烟探测器,其中洒水喷头采用直立型喷头,喷头间距为2.4～2.8 m,溅水盘距离顶板为100 mm,感烟探测器安装间距约为5.5 m。

FDS(Fire Dynamics Simulator)是美国国家标准研究所(NIST:National Institute of Standards and Technology)建筑火灾研究室(Building and Fire Research Laboratory)开发的模拟软件^[5]5],该软件模拟结果准确度高^[4,6]4,6],可用于不同火灾场景的烟气和温度场的模拟。因此,本文采用FDS软件模拟感烟探测器的动作时间以及洒水喷头的启动时间,并由此计算可用充水时间。

数据机房内的火灾大多是由机柜内部过载发热致使电缆燃烧而引起的电气火灾。一般情况下微模块冷池内部走道、微模块之间的走道上均没有可燃物。考虑最不利火灾情况,将火源设置在微模块单元机柜边缘底部。根据实际的铜芯橡胶绝缘电缆线情况,按铜∶塑料=6∶4进行电缆材料配比(质量比)^[7]7]。火灾热释放速率按式(1)计算:

$Q=\alpha t{}^2(1)$

式中 Q——热释放速率,kW;

t ——火灾增长时间,s;

α ——火灾增长系数,kW/s²。

这里火灾增长速度按照快速火进行设置^[8]8],即α=0.044,Q=2.5 MW。火源热释放速率根据《建筑防烟排烟系统技术标准》(GB 51251-2017)表4.6.7进行设置。火源面积为0.2 m×0.2 m。整个计算网格数为679 535个。

本文分别模拟了火源位于冷池内和冷池外、位于机房角落和机房中间、位于洒水喷头正下方和洒水喷头之间以及喷头温度级为57 ℃和68 ℃等16种不同火灾工况。按规范规定,火灾发生时,非消防电源均切断,故模拟仅考虑精密空调被联动关闭、微模块内部无通风的情况。

详细的计算工况见表1,火源位置见图3。

16个算例的计算结果见表2、表3。表2中首先动作的2路感烟探测器均位于房间顶部,首先启动的喷头也均位于房间顶部。所以计算可用充水时间时无需考虑冷池内探测器及洒水喷头的动作时间。表3中“2路感烟探测器动作时间(微模块顶部)” 是指,当微模块顶部设置探测器时,首先动作的1路、2路感烟探测器均位于微模块顶部。“2路感烟探测器动作时间(房间顶部)”是指,当微模块顶部不设置探测器、房间顶部探测器动作的情况。

微模块冷池内部发生火灾时,烟气一般首先在冷池顶部聚集,随后经过机架的孔隙蔓延到微模块外部,垂直蔓延至房间顶板,最后沿顶板水平蔓延至整个房间。故一般情况下,冷池内的探测器首先动作,房间顶板下的探测器动作比较晚。从表3模拟结果可以看出,Case3、Case4、Case7及Case8等算例中,均是冷池内探测器动作,随后房间顶板下探测器动作,两者的时间差为16～40 s,见图4。即冷池内设置探测器时,火灾自动报警系统将比冷池内不设置探测器时,早16～40 s发出报警动作信号。预作用系统的可用充水时间也随之增加16～40 s。

因此冷池内设置探测器可以更早发现火灾,有效增加可用充水时间,更有利于预作用配水管网的设计,故在微模块冷池顶部内设置探测器是有必要的。

Case1、Case 2模拟了火灾发生在微模块外部,且位于房间角落的情况。此时,首先动作的2路感烟探测器均位于房间顶部,首先启动的喷头也均位于房间顶部。房间角落具有一定烟气聚集效果,就近的第1路探测器很快动作,不过第2路探测器距离火源比较远,动作时间延后。同时房间角落的烟气聚集效果,使得烟气层温度上升快,就近的洒水喷头更容易达到动作温度。最终计算得出的可用充水时间均低于2 min,其中火源位置在洒水喷头正下方时,喷头动作时间大大减少,可用充水时间仅为1 min左右,远低于2 min。

Case5、Case 6模拟了火灾发生在微模块外部,且位于房间中间的情况。当房间中间发生火灾时,烟气在热羽流作用下垂直向上蔓延,到达顶板后再开始水平蔓延,位于顶板的感烟探测器首先动作。随后火源正上方的洒水喷头启动。这种情况下,就近的第1路探测器和第2路探测器动作时间比较接近,且火源位置移动一定距离,对结果影响很小。与Case1、Case 2模拟情况类似,火源位置在洒水喷头正下方时,喷头动作时间大大减少。Case5中的可用充水时间均小于2 min。Case6中的可用充水时间为2.5～3 min。

Case3、Case4模拟的火灾发生在位于机房角落的微模块的内部。Case7、Case8模拟的火灾发生在位于房间中间的微模块内部。由于微模块冷池内部空间比较小,火灾烟气和热量聚集迅速,4种火源位置情况下,2路探测器动作的时间和喷头动作的时间都比较短,最终可用充水时间均为1 min左右,远低于2 min。此时着火的微模块位于房间角落还是位于房间中间,对于计算结果影响不大。该计算结果主要受火源与内部探测器、喷头的相对位置关系的影响。见图5。

从以上的分析可以发现,微模块冷池内部火灾的可用充水时间均小于微模块机房外部火灾,位于房间角落的微模块外部火灾的可用充水时间小于房间中间的微模块外部火灾,且大部分情况下可用充水时间均小于2 min。只有火灾发生在房间中间的微模块外部,且刚好位于两个洒水喷头中间的情况下,可用充水时间大于2 min。

对火源位于两喷头之间与火源位于喷头正下方的可用充水时间比较,见图6。根据图6可以发现,微模块冷池内部火灾的不同位置对可用充水时间影响最小(仅10 s左右),这是由于微模块机房高度低(仅2.5 m),烟气容易在微模块机房狭小空间内聚集。而当火源位于房间中部且位于微模块外部时,高温烟气蓄满整个房间的难度大,所以喷头动作时间对火源的位置较为敏感,火源与喷头的不同位置使得喷头可用充水时间差了66 s左右。当火源位于房间角落且位于微模块外部时,火源与喷头的不同位置下的可用充水时间差了40 s左右。

如图5所示,对各种算例中采用57 ℃喷头和68 ℃喷头的可用充水时间进行比较,可以发现,两种温度级的喷头对可用充水时间影响不大。火灾发生在微模块外部时,时间差为10～18 s;火灾发生在微模块内部时,时间差为7～10 s。

笔者采用FDS软件对某微模块机房的预作用系统可用充水时间进行了模拟,分别模拟了火源位于冷池内和冷池外、位于机房角落和机房中间、位于洒水喷头正下方和洒水喷头之间、以及喷头温度级为57 ℃和68 ℃等不同工况下的可用充水时间。计算结果表明:

(1)大部分情况下,预作用系统可用充水时间均小于2 min,且当微模块冷池内发生火灾时,可用充水时间仅为1 min左右。此时容易出现洒水喷头受热开启而配水管网中尚未充满水的情况。建议对配水管道做优化,如将微模块和房间顶板下的喷头分开设置配水管道,尽量减少大管径管道的长度,减小雨淋阀组与防护区的距离,合理设置电动排气阀等,以尽可能减少管网充水时间。

(2)微模块冷池内部设置感烟探测器可以更早发现火灾,有效增加了可用充水时间,有利于配水管道的设计。

(3)57 ℃喷头与68 ℃喷头的可用充水时间相差不大,对提升预作用系统灭火的及时性影响小,建议采用68 ℃喷头。